為便攜式應用選擇正確的升壓/降壓型穩壓器

引言

便攜式設備廣泛使用的電源為單節鋰離子電池，其充滿(mǎn)電時(shí)為4.2V，放完電時(shí)為2.8V。然而，便攜式電子設備中的某些功能，例如SIM卡和DSP，要求2.8V和3.3V電壓。這些電壓一般由低噪聲LDO提供。LDO輸入(VCC)電壓必須稍高于LDO的最大輸出電壓。然而，VCC恰恰在鋰離子電池工作范圍的中段停止工作。所以，使用升壓/降壓型穩壓器，能夠在輸入電壓高于或低于輸出電壓時(shí)工作，就變得非常必要。圖1所示為典型便攜式設計中使用電池電壓(VBAT)作為電源的應用。

圖1.由升壓/降壓轉換器設定的LDO輸入電壓

便攜式應用中，效率越高工作時(shí)間就越長(cháng)，所以穩壓器效率最為重要。本文回顧可供使用的選擇，對其性能進(jìn)行比較，并確定效率最高的方案。

旁路/升壓

解決該問(wèn)題的方式之一是使用旁路/升壓轉換器，也就是帶有外部“旁路”晶體管的升壓轉換器;晶體管集成在電源(VBAT)與LDO輸入(VCC)之間。圖2所示為旁路/升壓電源鏈結構及其操作表。其中旁路晶體管T3完成“低效”的降壓操作。 20160702fig2

圖2.旁路/升壓電源鏈及操作表

該結構只能調節低于設定的VCC = 3.4V的VBAT電壓。如果VBAT > 3.4V，升壓轉換器停止調節，傳輸晶體管導通，直接將VBAT連接至VCC。圖3所示為電池放電特性，以及旁通/升壓結構下的LDO輸入電壓。

圖3.旁路/升壓操作下的LDO輸入電壓特性

大部分時(shí)間(VBAT > 3.4V)，旁通/升壓結構中的傳輸晶體管原封不動(dòng)地將輸入電壓“傳遞”給下游LDO電路。LDO負責將高VBAT值降壓至其輸出設定值。由于這一調節過(guò)程是線(xiàn)性的，所以L(fǎng)DO內部的功耗較高。這就造成能耗較高，并且也要求電路板設計和IC選擇能夠耗散這種能耗。

升/降壓

與旁路/升壓結構相比，該電路中使用的升/降壓轉換器自始至終將其輸出穩壓至3.4V。此外，穩壓過(guò)程完全是開(kāi)關(guān)模式，工作效率較高。圖4所示為升/降壓電源鏈結構及其操作表。

圖4.升/降壓電源鏈及操作表

VBAT > VCC時(shí)，IC工作在Buck (降壓)模式;VBAT VCC時(shí)，平滑轉換至Boost (升壓)工作模式。以高效率、開(kāi)關(guān)模式覆蓋整個(gè)電池電壓范圍。圖5所示為電池放電特性，以及升/降壓結構下的LDO輸入電壓。

圖5.升/降壓操作下的LDO輸入電壓特性

圖6中將兩種工作模式疊加在一起，其中陰影部分中，升/降壓模式的功耗具有明顯優(yōu)勢。陰影三角區域表示旁路/升壓操作進(jìn)行線(xiàn)性穩壓時(shí)的功率損耗。

圖6.升/降壓與旁路/升壓模式下的LDO輸入電壓特性比較

案例分析

案例分析中，我們將Maxim MAX77801升/降壓IC與競爭對手的旁路/升壓IC進(jìn)行比較。每種穩壓器都驅動(dòng)單3.3V LDO，負載電流為500mA。

圖7.效率測試配置

圖8所示為比較結果。實(shí)線(xiàn)表示每種方案的效率，虛線(xiàn)表示其電池電流損耗。和預期一樣，VBAT低于或接近LDO輸出電壓時(shí)，兩種結構的效率相似;該范圍之外，在VBAT高于LDO輸出電壓的整個(gè)時(shí)間內，升/降壓結構的效率(高于90%)遠遠優(yōu)于旁路/升壓結構的效率(電池滿(mǎn)電量時(shí)低至67%)。這種優(yōu)異的性能是因為升/降壓IC能夠在整個(gè)工作范圍內以開(kāi)關(guān)模式為L(cháng)DO供電。

圖8.升/降壓與旁路/升壓結構的效率比較

結論

升/降壓結構與旁路/升壓結構的比較證明，升/降壓工作模式在本質(zhì)上具有優(yōu)異的效率。通過(guò)將MAX77801升/降壓方案與競爭對手的旁路/升壓結構進(jìn)行實(shí)際比較，結果表明Maxim器件的效率高出達25%。所以，升/降壓IC是便攜式應用的理想方案。